Bibliographie & annexes
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En anglais
RÉSUMÉ
L'augmentation des champs d'application de l'électronique de puissance conduit à l'émergence de nombreuses évolutions technologiques en corrélation avec les niveaux de sollicitations et les contraintes législatives. De par le caractère sécuritaire des modules à semi-conducteurs de puissance dans le système, il est impératif de valider la fiabilité de ces nouvelles solutions. Or, les faibles volumes de production et les grandes durées de vie objectivées limitent l'usage de l'approche statistique dans ce domaine technologique. En ce sens, cet article propose d'appréhender l'évaluation de la « fiabilité » en mettant l'accent sur une approche de la physique de défaillances des assemblages de puissance.
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The increase in the application fields of power electronics has led to the emergence of a significant number of technological evolutions in compliance with stress levels and regulatory constraints. Due to the safety function of power semiconductor modules within the subsystem, the reliability of these new solutions must be proven. However, the low production volumes and the long lifetime desired limit the use of the statistical approach within this technological domain. This article thus offers to assess the "reliability" by focusing on an approach of the physics of failure of power assemblies.
Auteur(s)
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Mounira BOUARROUDJ-BERKANI : Docteur de l'École Normale Supérieure de Cachan - Maître de conférences, Université Paris-Est Créteil (IUFM Créteil) - Chercheuse au laboratoire SATIE de l'ENS Cachan
-
Laurent DUPONT : Docteur de l'École Normale Supérieure de Cachan - Chargé de recherche, INRETS (Laboratoire des technologies nouvelles à Versailles Satory)
INTRODUCTION
Le développement de l'électronique de puissance dans de nouveaux domaines d'usage conduit à un accroissement des niveaux de sollicitations fonctionnelles et environnementales appliqués aux modules de puissance (automobile, aéronautique...). Dès lors, de nombreuses ruptures technologiques sont développées afin de satisfaire les objectifs parfois contradictoires de maîtrise des coûts, de réduction du poids et de l'encombrement, tout en améliorant les spécifications en termes de maintenabilité et de fiabilité.
Or, un certain nombre de freins limitent l'exploitation des prescriptions définies dans le champ de la sûreté de fonctionnement et, plus spécifiquement, pour l'évaluation de la fiabilité des dispositifs intégrés à semi-conducteurs de puissance. En effet, l'évaluation de la fiabilité, indissociable de l'approche statistique, est rendue délicate de par la grande durée de vie objectivée avec un faible taux de défaillance, les nombreuses évolutions technologiques et le faible volume de production des systèmes à semi-conducteurs de puissance.
La démarche présentée dans ce dossier propose une introduction à l'évaluation de la robustesse des assemblages à semi-conducteurs de puissance à partir d'une compréhension de la dégradation physique entraînant la défaillance, avec :
-
la présentation des constituants d'un assemblage de puissance conventionnel et les principaux domaines d'application ;
-
en rapport avec les profils de mission imposés, le défaut de l'état de l'art des principaux modes de dégradations conduisant à des défaillances principalement d'origine thermomécaniques ;
-
dans le sens de l'approche de la physique de défaillance, l'exposé des principaux mécanismes et facteurs d'endommagement et des moyens permettant de les révéler.
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Technologies d'intégration pour l'électronique de puissance
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1. Problématique
1.1 Besoins
Dans le contexte d'une nécessaire réduction de l'usage des ressources fossiles, l'ensemble des acteurs impliqués cherche à améliorer les solutions existantes et à mettre en place des solutions alternatives. Le recours à l'énergie électrique, avec des potentiels de rendements élevés, est l'une des solutions permettant de réduire la consommation d'énergie fossile et les émissions de gaz à effet de serre. Les enjeux du développement de l'énergie électrique dans les systèmes reposent notamment sur l'efficacité énergétique, la maîtrise des coûts et sur l'assurance de leur fiabilité en rapport avec les contraintes applicatives et législatives.
La mise en œuvre de cette rupture nécessite des solutions pour la génération de l'énergie électrique embarquée, telles que les piles à combustible, associée à des dispositifs permettant le stockage de l'énergie, comme les batteries éventuellement suppléées par des supercapacités pour les phases transitoires (figure 1).
Les performances des systèmes à énergie électrique, basés sur l'emploi de l'électronique de puissance, reposent sur l'adéquation de la technologie, de la topologie et des lois de commandes permettant d'associer efficacement l'actionneur et le convertisseur. Les développements réalisés à ce jour reposent majoritairement sur l'association de ces briques où le convertisseur est placé au plus proche de l'actionneur. Or, la mécatronique de puissance, permettant d'atteindre une efficacité énergétique, nécessite une intégration effective des constituants d'une chaîne de conversion électromécanique.
Dès lors, il est nécessaire de trouver une adéquation entre le module de puissance, réalisé à partir d'un assemblage très hétérogène et des sollicitations fonctionnelles et environnementales croissantes qui peuvent endommager cet assemblage.
HAUT DE PAGE1.2 Sûreté de fonctionnement
Dans le cas des dispositifs intégrés à semi-conducteurs de puissance, le concept de fiabilité qui associe la durée de vie à un taux de défaillances pose un certain nombre de problèmes. En effet, l'approche statistique pour ces...
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Problématique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SELIGER (N.), WOLFGANG (E.), LEFRANC (G.), BERG (H.), LICHT (T.) - Reliable power electronics for automotive applications. - Microelectronics Reliability, vol. 42, Issues 9-11, p. 1597-1604, sept.-nov. 2002.
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(3) - MERMET-GUYENNET (M.), PERPIÑÁ (X.), PITONA (M.) - Revisiting power cycling test for better life-time prediction in traction. - Microelectronics Reliability, vol. 47, Issues 9-11, p. 1690-1695, sept.-nov. 2007.
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(4) - LU (H.), BAILEY (C.), YIN (C.) - Design for reliability of power electronics modules. - Microelectronics Reliability, vol. 49, Issues 9-11, p. 1250-1255, sept.-nov. 2009.
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(5) - MALANDRUCCOLO (V.), CIAPPA (M.), ROTHLEITNER (H.), FICHTNER (W.) - A new built-in screening methodology to achieve zero defects in the automotive environment. - Microelectronics Reliability, vol. 49, Issues 9-11, p. 1334-1340, sept.-nov. 2009.
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANSYS http://www.ansys.com
ABAQUS http://www.simulia.com
MATLAB http://www.mathworks.com
SCILAB http://www.scilab.com
CONSOL http://www.comsol.com
HAUT DE PAGE
ESREF European Symposium on Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis (conférence internationale)
EPE Europeen conference on Power Electronics and Applications (conférence internationale)
PCIM http://www.mesago.de/en/PCIM/home.htm
ECPE Europeen Center for Power Electronics http://www.ecpe.org
EPF Electronique de Puissance du Futur (conférence nationale)
HAUT DE PAGE
DO 160 - 1997 - Environmental condition and test procedures for airborne equipment, RTCA - -
IEC 60747-15 - Ed. 1 : Discrete Semiconductor devices – Part 15 : Isolated power semiconductor devices - -
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